Two novel superhard 3D sp3 hybridized carbon allotropes (Cmmm-C32 and P6/mmm-C54) are proposed in this work through first-principles calculations. Both Cmmm-C32 and P6/mmm-C54 have a honeycomb structure. P6/mmm-C54 shows a wide direct bandgap (3.564 eV), while Cmmm-C32 shows an ultrawide indirect bandgap (5.051 eV), as determined using the HSE06 hybrid functional. The hardnesses of Cmmm-C32 and P6/mmm-C54 are 83.72 and 54.01 GPa, respectively, and their calculated ideal strengths further confirm their superhardness characteristics. P6/mmm-C54 is isotropic in the (001) plane. The minimum thermal conductivities of Cmmm-C32 and P6/mmm-C54 are larger than those of diamond-C, illustrating that Cmmm-C32 and P6/mmm-C54 are potential semiconductor device materials.
REFERENCES
1.
R. O.
Piltz
, J. R.
Maclean
, S. J.
Clark
, G. J.
Ackland
, P. D.
Hatton
, and J.
Crain
, Phys. Rev. B
52
, 4072
(1995
). 2.
Q. Y.
Fan
, C. C.
Chai
, Q.
Wei
, P. K.
Zhou
, J. Q.
Zhang
, and Y. T.
Yang
, Materials
9
, 284
(2016
). 3.
Q. Y.
Fan
, R. L.
Yang
, W.
Zhang
, and S. N.
Yun
, Results Phys.
15
, 102580
(2019
). 4.
Q. Y.
Fan
, R.
Niu
, W. Z.
Zhang
, W.
Zhang
, Y. C.
Ding
, and S. N.
Yun
, Chem. Phys. Chem.
20
, 128
–133
(2019
). 5.
Y. X.
Song
, C. C.
Chai
, Q. Y.
Fan
, W.
Zhang
, and Y. T.
Yang
, J. Phys. Condens. Matter
31
, 255703
(2019
). 6.
W.
Zhang
, C. C.
Chai
, Y. X.
Song
, Q. Y.
Fan
, and Y. T.
Yang
, Materials
11
, 740
(2018
). 7.
Q. Y.
Fan
, W. Z.
Zhang
, S. N.
Yun
, J.
Xu
, and Y. X.
Song
, Chem. Eur. J
24
, 17280
–17287
(2018
). 8.
Q.
Fan
, J.
Xu
, W.
Zhang
, Y.
Song
, and S.
Yun
, J. Appl. Phys.
126
, 045709
(2019
). 9.
R. J.
Nelmes
, M. I.
McMahon
, N. G.
Wright
, D. R.
Allan
, and J. S.
Loveday
, Phys. Rev. B
48
, 9883
(1993
). 10.
Y.
Ding
, M.
Chen
, and B.
Xiao
, RSC Adv.
6
, 7817
(2016
). 11.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, M. I.
Katsnelson
, I. V.
Grigorieva
, S. V.
Dubonos
, and A. A.
Firsov
, Nature
438
, 197
–200
(2005
). 12.
C. Y.
Niu
, X. Q.
Wang
, and J. T.
Wang
, J. Chem. Phys.
140
, 054514
(2014
). 13.
M.
Amsler
, J. A.
Flores-Livas
, L.
Lehtovaara
, F.
Balima
, S. A.
Ghasemi
, D.
Machon
, S.
Pailhès
, A.
Willand
, D.
Caliste
, S.
Botti
, A. S.
Miguel
, S.
Goedecker
, and M. A. L.
Marques
, Phys. Rev. Lett.
108
, 065501
(2012
). 14.
D. D.
Pang
, X. Q.
Huang
, H. Y.
Xue
, C.
Zhang
, Z. L.
Lv
, and M. Y.
Duan
, Diam. Relat. Mater.
82
, 50
–55
(2018
). 15.
Y.
Xu
, Y.
Lu
, X.
Zhu
, and M.
Wang
, RSC Adv.
8
, 1846
(2018
). 16.
C.
He
, L.
Sun
, C.
Zhang
, X.
Peng
, K.
Zhang
, and J.
Zhong
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 8410
–8414
(2012
). 17.
M.
Li
, X.
Zhang
, and Y.
Zhao
, Phys. Lett. A
382
, 3125
–3130
(2018
). 18.
Z. Y.
Wang
, F.
Dong
, B.
Shen
, R. J.
Zhang
, Y. X.
Zheng
, L.
Chen
, S. Y.
Wang
, C. Z.
Wang
, K. M.
Ho
, Y. J.
Fan
, B. Y.
Jin
, and W. S.
Su
, Carbon
101
, 77
–85
(2016
). 19.
D.
Li
, F.
Tian
, B.
Chu
, D.
Duan
, S.
Wei
, Y.
Lv
, H.
Zhang
, L.
Wang
, N.
Lu
, B.
Liu
, and T.
Cui
, J. Mater. Chem. A
3
, 10448
–10452
(2015
). 20.
W.
Fu
, Y.
Zhang
, J.
Shang
, L.
Zeng
, and Y.
Cai
, Comp. Mater. Sci.
155
, 293
–297
(2018
). 21.
Q.
Wei
, Q.
Zhang
, M. G.
Zhang
, H. Y.
Yan
, L. X.
Guo
, and B.
Wei
, Front. Phys.
13
, 136105
(2018
). 22.
Z. Z.
Li
, J.
Chen
, S.
Nied
, L.
Xua
, H.
Mizuseki
, H.
Weng
, and J. T.
Wang
, Carbon
133
, 39
–43
(2018
). 23.
C.
Zhong
, Y.
Chen
, Z. M.
Yu
, Y.
Xie
, H.
Wang
, S. A.
Yang
, and S.
Zhang
, Nat. Commun.
8
, 15641
(2017
). 24.
J. T.
Wang
, H.
Weng
, S.
Nie
, Z.
Fang
, Y.
Kawazoe
, and C.
Chen
, Phys. Rev. Lett.
116
, 195501
(2017
). 25.
X.
Feng
, Q.
Wu
, Y.
Cheng
, B.
Wen
, Q.
Wang
, Y.
Kawazoe
, and P.
Jena
, Carbon
127
, 527
–532
(2018
). 26.
C. X.
Zhao
, C. Y.
Niu
, Z. J.
Qin
, X. Y.
Ren
, J. T.
Wang
, J. H.
Cho
, and Y.
Jia
, Sci. Rep.
6
, 21879
(2016
). 27.
C.
Cheng
, Z. L.
Lv
, Y.
Cheng
, X. R.
Chen
, and L. C.
Cai
, Diam. Relat. Mater.
43
, 49
–54
(2014
). 28.
Z.
Li
, M.
Hu
, M.
Ma
, Y.
Gao
, B.
Xu
, J.
He
, D.
Yu
, Y.
Tian
, and Z.
Zhao
, Carbon
105
, 151
–155
(2016
). 29.
Y.
Pan
, C.
Xie
, M.
Xiong
, M.
Ma
, L.
Liu
, Z.
Li
, S.
Zhang
, G.
Gao
, Z.
Zhao
, Y.
Tian
, B.
Xu
, and J.
He
, Chem. Phys. Lett.
689
, 68
–73
(2017
). 30.
M. J.
Xing
, B. H.
Li
, Z. T.
Yu
, and Q.
Chen
, Materials
9
, 484
(2016
). 31.
D.
Fan
, S.
Lu
, A. A.
Golov
, A. A.
Kabanov
, and X.
Hu
, J. Chem. Phys.
149
, 114702
(2018
). 32.
X. Y.
Wu
, X. H.
Shi
, M. G.
Yao
, S. J.
Liu
, X. G.
Yang
, L. Y.
Zhu
, T.
Cui
, and B. B.
Liu
, Carbon
123
, 311
–317
(2017
). 33.
M.
Itoh
, M.
Kotani
, H.
Naito
, T.
Sunada
, Y.
Kawazoe
, and T.
Adschiri
, Phys. Rev. Lett.
102
, 055703
(2009
). 34.
H.
Bu
, M.
Zhao
, W.
Dong
, S.
Lu
, and X.
Wang
, J. Mater. Chem. C
15
, 2751
–2757
(2014
). 35.
A. H.
Cao
, W. J.
Zhao
, Q. Y.
Zhou
, S. L.
Liu
, and L. H.
Gan
, Chem. Phys. Lett.
714
, 119
–124
(2019
). 36.
Q.
Wei
, Q.
Zhang
, H.
Yan
, M.
Zhang
, and B.
Wei
, J. Alloys Compd.
769
, 347
–352
(2018
). 37.
Q.
Wei
, C.
Zhao
, M.
Zhang
, H.
Yan
, Y.
Zhou
, and R.
Yao
, Phys. Lett. A
382
, 1685
–1689
(2018
). 38.
Z. Z.
Li
and J. T.
Wang
, Phys. Chem. Chem. Phys.
20
, 22762
–22767
(2018
). 39.
N. V. R.
Nulakani
and V.
Subramanian
, Chem. Phys. Lett.
715
, 29
–33
(2019
). 40.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
). 41.
J. P.
Perdew
and A.
Zunger
, Phys. Rev. B
23
, 5048
(1981
). 42.
P.
Hohenberg
and W.
Kohn
, Phys. Rev.
136
, B864
(1964
). 43.
W.
Kohn
and L. J.
Sham
, Phys. Rev.
140
, A1133
(1965
). 44.
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
–17979
(1994
). 45.
H. J.
Monkhorst
and J. D.
Pack
, Phys. Rev. B
13
, 5188
–5192
(1976
). 46.
W.
Setyawan
and S.
Curtarolo
, Comput. Mater. Sci.
49
, 299
–312
(2010
). 47.
A.
Togo
, F.
Oba
, and I.
Tanaka
, Phys. Rev. B
78
, 134106
(2008
). 48.
A. V.
Krukau
, O. A.
Vydrov
, A. F.
Izmaylov
, and G. E.
Scuseria
, J. Chem. Phys.
125
, 224106
(2006
). 49.
X.
Fan
, J.
Li
, and G.
Chen
, RSC Adv.
7
, 17417
(2017
). 50.
J. T.
Wang
, C.
Chen
, and Y.
Kawazoe
, Phys. Rev. B
85
, 033410
(2012
). 51.
A.
Ward
, D. A.
Broido
, D. A.
Stewart
, and G.
Deinzer
, Phys. Rev. B
80
, 125203
(2009
). 52.
Q.
Li
, Y.
Ma
, A. R.
Oganov
, H.
Wang
, H.
Wang
, Y.
Xu
, T.
Cui
, H. K.
Mao
, and G.
Zou
, Phys. Rev. Lett.
102
, 175506
(2009
). 53.
W. L.
Mao
, H. K.
Mao
, P. J.
Eng
, T. P.
Trainor
, M.
Newville
, C. C.
Kao
, D. L.
Heinz
, J.
Shu
, Y.
Meng
, and R. J.
Hemley
, Science
302
, 425
–427
(2003
). 54.
M.
Amsler
, J. A.
Flores-Livas
, L.
Lehtovaara
, F.
Balima
, S. A.
Ghasemi
, D.
Machon
, S.
Pailhes
, A.
Willand
, D.
Caliste
, S.
Botti
, A.
San Miguel
, S.
Goedecker
, and M. A. L.
Marques
, Phys. Rev. Lett.
108
, 065501
(2012
). 55.
S. E.
Boulfelfel
, A. R.
Oganov
, and S.
Leoni
, Sci. Rep.
2
, 471
(2012
). 56.
P.
Liu
, Y. L.
Cao
, C. X.
Wang
, X. Y.
Chen
, and G. W.
Yang
, Nano. Lett.
8
, 2570
–2575
(2008
). 57.
P.
Liu
, H.
Cui
, and G. W.
Yang
, Cryst. Growth Des.
8
, 581
–586
(2008
). 58.
J. Y.
Zhang
, R.
Wang
, X.
Zhu
, A.
Pan
, C. X.
Han
, X.
Li
, D.
Zhao
, C. S.
Ma
, W.
Wang
, H. B.
Su
, and C. M.
Niu
, Nat. Commun.
8
, 683
(2017
). 59.
W. L.
Mao
, H. k.
Mao
, P. J.
Eng
, T. P.
Trainor
, M.
Newville
, C. C.
Kao
, D. L.
Heinz
, J.
Shu
, Y.
Meng
, and R. J.
Hemley
, Science
302
, 425
(2003
). 60.
Y.
Wang
, J. E.
Panzik
, B.
Kiefer
, and K. K.
Lee
, Sci. Rep.
2
, 520
(2012
). 61.
M.
Grimsditch
and A. K.
Ramdas
, Phys. Rev. B
11
, 3139
(1975
). 62.
A. O.
Lyakhov
and A. R.
Oganov
, Phys. Rev. B
84
, 092103
(2011
). 63.
Z. J.
Wu
, E. J.
Zhao
, H. P.
Xiang
, X. F.
Hao
, X. J.
Liu
, and J.
Meng
, Phys. Rev. B
76
, 054115
(2007
). 64.
R.
Hill
, Proc. Phys. Soc. A
65
, 349
(1952
). 65.
W.
Zhang
, C. C.
Chai
, Q. Y.
Fan
, K. Q.
Weng
, and Y. T.
Yang
, J. Mater. Sci.
53
, 9611
–9626
(2018
). 66.
S. F.
Pugh
, Philos. Mag.
45
, 823
–843
(1954
). 67.
K.
Li
, X.
Wang
, F.
Zhang
, and D.
Xue
, Phys. Rev. Lett.
100
, 235504
(2008
). 68.
A. R.
Oganov
and C. W.
Glass
, J. Chem. Phys.
124
, 244704
(2006
). 69.
A. O.
Lyakhov
, A. R.
Oganov
, and M.
Valle
, Comput. Phys. Commun.
181
, 1623
(2010
). 70.
T. C. T.
Ting
, J. Elasticity
81
, 271
–292
(2005
). 71.
S. I.
Ranganathan
and M.
Ostoja-Starzewski
, Phys. Rev. Lett.
101
, 055504
(2008
). 72.
T.
Razzak
, H.
Xue
, Z. B.
Xia
, S.
Hwang
, A.
Khan
, W.
Lu
, and S.
Rajan
, “Ultra-wide band gap materials for high frequency applications,” in IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP) (IEEE, 2018).73.
L.
Li
, P. S.
Lee
, C.
Yan
, T.
Zhai
, X.
Fang
, M.
Liao
, Y.
Koide
, Y.
Bando
, and D.
Golberg
, Adv. Mater.
22
, 5145
–5149
(2010
). 74.
E.
Monroy
, F.
Omns
, and F.
Calle
, Semicond. Sci. Tech.
18
, 33
–51
(2003
). 75.
M.
Hu
, F.
Tian
, Z.
Zhao
, Q.
Huang
, B.
Xu
, L. M.
Wang
, H. T.
Wang
, Y.
Tian
, and J.
He
, J. Phys. Chem. C
116
, 24233
–24238
(2012
). 76.
E. A.
Belenkov
and V. A.
Greshnyakov
, J. Exp. Theor. Phys.
119
, 101
–106
(2014
). 77.
N.
Naka
, K.
Fukai
, Y.
Handa
, and I.
Akimoto
, Phys. Rev. B
88
, 035205
(2013
). 78.
H. G.
Grimmeiss
and B.
Monemar
, Phys. Status Solidi A
5
, 109
–114
(1971
). © 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.